电站管道用AEP92钢材显微金相组织

摘 要：

通过对电站管道用AEP92钢材进行了显微金相组织分析,结果显示在AEP92钢中出现了回火马氏体+δ-铁素体组织形态,其中δ-铁素体含量超过10%.分析表明在高温回火过程中实际温度和升温降温速率控制不当是产生δ-铁素体组织的主要原因.

关 键 词：AEP92；热处理；金相组织；δ-铁素体

引言

随着科学技术的发展,新材料和新技术在电力行业得到广泛的应用,电站效率也得到了很大提高.AEP92钢在此背景下被开发研制出来,已经用于新的超临界及超超临界电站中.AEP92钢是在AEP91钢的基础上开发的新钢种,在化学成分上适当降低了钼元素的含量（0.3%-0.6%）,加入了1.5%-2.0%的钨,同时还加入了微量的硼,经上述合金化改良后,与其他Cr-Mo耐热钢相比,虽然P92钢的耐高温腐蚀和氧化性能与9%Cr钢相似,但材料的高温强度和蠕变性能得到了显著提高.工程中由此带来的主要优点有：

（1）在相同的工作温度、压力或设计寿命条件下,使用P92钢能够降低电站锅炉及管道系统的重量；

（2）在同样的结构尺寸下,使用P92钢可提高结构的设计工作温度,从而使系统的热效率得以改善[1].

目前对于AEP92钢材的失效性能、蠕变性能、焊接工艺方面的研究较多,但是对于AEP92钢材金相显微组织的研究较少,本文通过对电站管道用AEP92钢材进行了显微金相组织分析.

1.试验材料与试验方法

1.1试验材料

依据美国材料与试验协会（AmericanSocietyforTestingandMaterials,ASTM）和美国机械工程师协会（AmericanSocietyofMechanicalEngineers,AE）的标准规定：AEP92钢供货状态为正火加回火,组织为回火马氏体,合金总质量分数为12.25%.AEP92钢热处理的正火温度不小于1040℃,回火温度不小于730℃；拉伸强度不小于620Mpa,0.2%屈服强度不小于440Mpa,延伸率不小于20%,直管段母材硬度应均匀,且控制在180HB-250HB,同根钢管上任意两点间的硬度差不应大于30HB[1].AEP92钢材化学成分如表1所示.

表1AEP92钢材化学成分

元素CMnSiSPCrMoVNiNBWNbA1

下限0.070.30―――8.500.300.15―0.030.0011.50.04―

上限0.130.600.500.0100.0209.500.600.250.40.070.0062.00.090.04

1.2金相检验方法

在AEP92钢材产品上横截面上截取块状试样,依次采用180#、360#、500#水砂纸以及200#、320#、500#金相砂纸打磨,然后经颗粒直径分别为2.5μm和1μm的金刚石抛光液进行抛光,直至形成金相表面.利用氯化铁盐酸水溶液（FeCl35g+HCl15ml+H2O85ml）对金相试样进行化学腐蚀,腐蚀液覆盖试样表面5秒钟后用酒精冲洗,然后用电吹风吹干.采用日本奥林巴斯公司生产的OLYMPUS-PMG3万能金相显微镜进行金相组织观察,该设备的放大倍数为37.5-1500倍.

2.试验结果和分析

2.1AEP92连续冷却转变曲线与金相组织

图1为P92钢连续冷却转变曲线,可见AEP92钢材的AC1约为800～835℃,AC3约为900～920℃,马氏体开始转变温度点（MS）约为400℃,马氏体终止转变温度（Mf）约为150～200℃,该钢种淬透性很强,即使冷却速率比较缓慢,仍能得到的全部低碳马氏体组织.

图1P92钢连续冷却转变曲线[2]

图2为AEP92正常金相组织,经过正火+回火热处理后,材料获得典型的回火马氏体组织.这种组织晶粒非常细小（晶粒度可达到9-10级）,在晶界会得到M23C6（M等于Fe,Cr或者Mo）碳化物,在晶内会得到MX（M等于V或Nb,X等于C或N）型钒/铌碳氮化物析出物,这些析出物通过沉淀强化会改善材料强度.

图2正常的P92金相组织（回火马氏体组织205HB）

2.2管道用P92钢金相组织

目前,AEP92钢在电站设备上应用较为广泛,主要用于一级、二级过热器,高再、高过集箱,主蒸汽管道,再热蒸汽管道及相连接管件和测量接管等[3].另外由于该材料热处理难度较大,如控制不当,极易出现δ-铁素体、未回火马氏体、过度回火的回火索氏体等异常组织.下面就分别对电厂用主蒸汽管道用P92钢管进行了显微金相组织分析,该两种材料的热处理工艺为1050℃正火保温10min后空冷770℃回火保温90min后空冷.图3为试样的金相组织,由图中可见,条状的回火马氏体中出现了大量的白色块状区域,由商业金相软件进行分析,可以得出此视场白色区域的平均相含量在10%左右.

图3某电厂主蒸汽管道用P92钢金相组织

2.3分析与讨论

由P92钢连续冷却转变曲线,在750～770℃恒温的条件下,P92钢中的奥氏体会生成铁素体+碳化物组织[2].而本试验所用的材料恰在770℃时进行了回火保温,据此可以初步判断,图3中呈现的组织状态为回火马氏体+δ-铁素体.为了进一步确认其组织类别,对图3试样进行显微硬度分析,如图4所示.测定基体显微维氏硬度两点1和2,数值为234.7和238.9,根据硬度换算表可知1、2两点对应的布氏硬度值在223-228HB之间,依据P92钢材的连续冷却转变曲线可以确认该基体组织为回火马氏体.白色条状位置的显微维氏硬度两点3和4,数值为184.0和181.5,根据硬度换算表可知,3、4两点的硬度值在171-176HB之间,由此可以判定白色块状区域为δ-铁素体.

图4某电厂主蒸汽管道用P92钢显微硬度分析

对于1000MW发电机组来说,材质为P92的联箱及主蒸汽管道的壁厚明显增大,热处理难度也相应增加,焊后热处理过程中极易出现δ-铁素体,这些组织的存在将导致P92钢部件的使用寿命大幅度下降.一般规定,正常的P92金相组织要求铁素体含量不超过5%.但是在实际生产中,正火后空冷即可满足P92钢淬火的条件得到全部马氏体,在之后的高温回火过程中,马氏体得到回火,使得韧性提高,从而得到回火马氏体组织,但是由于实际温度和升温降温速率控制不当极易造成δ-铁素体组织的形成.经研究,随着冷却速度的降低材料的晶粒变得粗大,硬度也随着冷却速度的降低而减小,当冷却速度为0.02℃/S时,材料的组织转变中就开始出现了铁素体组织[4].因此在对P92钢进行材料热处理时必须严格控制其升温和保温速度和时间.

3.结论

AEP92钢材经过正火+回火的正常金相组织为回火马氏体,但由于高温回火过程中实际温度和升温降温速率控制不当极易产生δ-铁素体组织,从而降低了材料的机械性能,减少材料的使用寿命,因此要严格控制热处理工艺,控制δ-铁素体含量小于5%.